Ett fält av konverterade nanokompositer, deras form bildad med självmontering och deras sammansättning avstämd med omvandlingsreaktioner. Kredit:AMOLF
Föreställ dig om ett material skulle ordna sig i en form som lämpar sig för dess tillämpning, till exempel, en katalysator som maximerar sin egen yta för förbättrad effektivitet eller en mikroaktuator som bildar bihang för att gripa närliggande föremål. Detta är löftet om självmontering:att göra komplex, funktionella material genom att låta materia forma sig själv. Än, inte all materia som självmonteras till intressanta former visar sig ha en användbar funktion i sin slutliga form. Forskare från gruppen Self-Organizing Matter upptäckte nyligen att jonbyte tillåter dem att separera självmonteringsprocessen från det resulterande materialet. Deras resultat publicerades i Avancerade material den 16 november och framhävd i Natur och Naturrecensioner Material .
Med sina vackra och invecklade former, de nanokompositer som studerats av gruppen Self-Organizing Matter ser ganska anmärkningsvärda ut (se illustration). Än, Ph.D. eleverna Hans Hendrikse och Arno van der Weijden ville ha mer än vackra strukturer och hade en lust att också utnyttja nanokompositernas funktionalitet. Uppmuntrad av formbarheten och strukturella layouten hos deras nanokompositer, de började undersöka alternativen tillsammans med forskare från universitetet i Amsterdam, ARNCL, Leiden University och Virginia Tech.
Forskargruppen började med nanokompositer som bestod av bariumkarbonat (BaCO 3 ) nanokristaller inbäddade i en kiseldioxid (SiO 2 20 matris och omvandlade dessa till kadmiumsulfid (CdS). Först, de etablerade en väg för att reproducerbart omvandla nanokompositerna till detta slutliga material, samtidigt som man undersöker nanokompositernas egenskaper under jonbyte. Genom analys med elektronmikroskopi och röntgendiffraktion lärde teamet sig något fascinerande:BaCO:s ringa storlek 3 nanokristaller gjorde dem exceptionellt mottagliga för jonbytesreaktioner, medan det omgivande SiO 2 matris gav mekanisk stabilitet för att bibehålla den ursprungliga nanokompositens form under konvertering. Hans Hendrikse säger:"det är nästan som att vi byter ut några av tegelstenarna i ett hus samtidigt som vi behåller den övergripande strukturen intakt."
Animerad gif som illustrerar en mikroaktuator skapad genom att tillämpa jonbytestekniker på en nanokomposit. Kredit:AMOLF
Baserat på dessa insikter, att utöka urvalet av material var enkelt och nya vägar utvecklades för att ändra nanokompositens sammansättning till olika kadmium, järn, nickel- och mangansalter. Dessutom, den ursprungliga nanokompositen kan formas i ett stort urval av förutbestämda former. Alla dessa former kan omvandlas till vilken som helst av de ovan nämnda kompositionerna. Så det är inte bara möjligt att konvertera nanokompositer, det finns också en mängd olika material och former att välja mellan.
Till sist, teamet undersökte de potentiella tillämpningarna av denna nya metod. Till exempel, de upptäckte att de nickelhaltiga nanokompositerna kan användas som katalysatorer för torrreformeringsprocessen, som överträffar traditionella katalysatorer vid låga temperaturer. Vidare, laget syntetiserade formkontrollerad magnetit (Fe 3 O 4 ) nanokompositer som kan flyttas och omorienteras med hjälp av deras magnetiska egenskaper. Till sist, de skapade e-beam-aktiverade mikroskopiska ställdon genom att utnyttja flexibilitet som introducerades under en av jonbytesreaktionerna i samband med kiseldioxidmatrisens krympningsegenskaper. Kortfattat, de upptäckte formbevarande jonbytesreaktioner som öppnar nya vägar mot självmonterade material med olika nya, funktionella egenskaper.
